Лахтин_Матеориаловедение

18X2H4MA или соответствующую ей сталь о вольфрамом 18Х2Н4ВА (см. табл. 6) применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных деталей.

Вследствие высокой устойчивости переохлажденного аустенита детали сечением до 150—200 мм из стали 18Х2Н4МА закаливаются при охлаждении на воздухе, что еще больше уменьшает коробление. Критический диаметр прокаливаемости (95 % мартенсита) 100 мм, а порог хладноломкости — 80 °С (выше излом полностью вязкий).

Стали 12ХНЗА, 20ХНЗА, 20Х2Н4А, 12Х2Н4А, 18X2Н4ВА и др. (см. рис. 161, в, г) при закалке в масле приобретают в сердце-

272

вине структуру нижнего бейнита или низкоуглеродистого мартенсита, что приводит к значительному упрочнению. В результате цементации повышается устойчивость переохлажденного аусте-нита в поверхностном слое, особенно в зоне промежуточного превращения, поэтому при закалке в масле на поверхности образуется высокоуглеродистый мартенсит, обладающий твердостью 58—62 HRC. Однако следует иметь в виду, что при насыщении стали углеродом понижается температура мартенситного превращения в поверхностном слое и возрастает количество остаточного аустенита, особенно в сталях 18Х2Н4ВА и 20Х2Н4А. Остаточный аустенит понижает твердость, а в некоторых случаях сопротивление износу и предел выносливости. Снижение количества остаточного аустенита достигается обработкой холодом (от —100 до —120 °С) после закалки или применением промежуточного высокого отпуска (600—640 °С) с последующей закалкой при возможно более низкой температуре. При высоком отпуске из аустенита выделяются легированные карбиды. При последующем нагреве под закалку значительная часть карбидов остается вне твердого раствора, а менее легированный аустенит при охлаждении превращается в мартенсит, и поэтому количество остаточного аустенита уменьшается, а твердость повышается. Сталь после такого высокого отпуска характеризуется меньшей прокаливае-мостью при последующей закалке. При обработке холодом уменьшается количество остаточного аустенита и повышается твердость, однако происходит некоторое снижение предела выносливости, износостойкости и вязкости по сравнению с высоким отпуском. Сталь 18Х2Н4ВА из-за высокой устойчивости аустенита в перлитной области (см. рис. 161, г) не снижает твердости при отжиге. Для возможности обработки резанием сталь подвергается высокому отпуску при 630—640 °С, после которого она получает твердость 269—217 НВ.

Хромомарганцевые стали. Марганец — сравнительно дешевый элемент, применяется как заменитель в стали никеля. Как и хром, марганец растворяется в феррите и цементите. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость, особенно доэвтектоидной стали (рис. 161, б).

Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако эти стали менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хро-моникелевыми. Введение небольшого количества титана, образующего труднорастворимые в аустените карбиды TiC, уменьшает склонность хромомарганцевых сталей к перегреву.

Вавтомобильной и тракторной промышленности, а также

встанкостроении применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ. Эти стали склонны к внутреннему окислению при газовой цементации, что снижает прокаливаемость слоя и предел выносливости, поэтому широко применяют сталь 25ХГМ, легированную молибденом.

273

Молибден, повышая прокаливаемость слоя, устраняет вредное влияние внутреннего окисления и обеспечивает максимальную его твердость.

Стали типа ХГТ вследствие низкой прокаливаемости зоны внутреннего окисления могут применяться для высоконагруженных деталей лишь при условии принятия специальных технологических мер, исключающих вредное влияние зоны внутреннего окисления.

Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем.

На ВАЗе широко применяют стали 20ХГНМ (0,18—2,3 % С, 0,7—1,1 % Μn, 0,4—0,7 % Cr, 0,15—0,25 % Mo), а также 19ХГН

и14ХГН, содержащие по 0,8—1,1 % Μn, Сr и Ni. После закалки

инизкого отпуска эти стали имеют σΒ = 1100÷1200 МПа, σ0,2 = 850÷950 МПа, δ = 7÷8 % и KCU = 0,6÷0,8 МДж/м2.

Внастоящее время применяется ряд новых сталей для цементации (нитроцементации), обладающих мелким зерном, глубокой прокаливаемостью слоя и сердцевины (табл. 7).

После цементации эти стали имеют высокие механические свойства. Например, сталь 25ХГНМАЮ имеет предел прочности

при изгибе после нитроцементации 2510 МПа и предел ограниченной выносливости (Ν = 5·106) 1050 МПа, значения которых значительно выше, чем у стали 25ХГТ. Как показал опыт, ресурс работы агрегатов автомобильных, тракторных и угольных комбайнов, изготовленных из этих сталей, значительно возрос.

Стали, легированные бором. Для цементации

(нитроцементации) используют также стали, содержащие бор (в количестве

274

0,001—0,005 %). Бор повышает устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного превращения и поэтому увеличивает прокаливаемость стали.

Повышение устойчивости аустенита связано с тем, что бор, присутствуя преимущественно по границам зерен, тормозит образование зародышей перлита. Однако при повышенном содержании бора образуются бориды железа, уменьшающие устойчивость аустенита.

Бор повышает прокаливаемость лишь доэвтектоидных сталей, содержащих ≤0,5—0,6 % С, но не улучшает прокаливаемость цементованного слоя.

Легирование бором повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность. Бор делает сталь чувствительной к перегреву, поэтому такая сталь, как правило, должна быть наследственно мелкозернистой (номер 7—10). Легирование бористой стали титаном повышает ее устойчивость к перегреву. В промышленности для деталей, работающих в условиях износа при трении, применяют сталь 20ХГР, а также сталь 20ХГНР.

Механические свойства стали 20ХГНР: σΒ = 1300 МПа, σ0,2 = 1200 МПа, δ = 10 % и ψ — 0,9 МДж/м2.

7. КОНСТРУКЦИОННЫЕ (МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ) УЛУЧШАЕМЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Многие детали машин (коленчатые валы, валы, оси, штоки, шатуны, ответственные детали турбин и компрессорных машин и др.) изготовляют из среднеуглеродистых сталей (0,3— 0,5 % С) и подвергают закалке и высокому отпуску (улучшение). Стали закаливаются от 820—880 °С (в зависимости от состава) в масле (крупные детали охлаждают в воде) и проходят отпуск при 550—680 °С. После такой обработки структура стали — сорбит. Стали должны иметь высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости (KCU, КСТ, K1c). Кроме того, улучшаемые стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.

При полной прокаливаемости сталь имеет лучшие механичевкие свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению — низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины КСТ и вязкость разрушения К1с.

Наличие в структуре нижнего бейнита не снижает конструктивной прочности стали. Если в структуре наряду с мартенситом присутствуют верхний бейнит или продукты диффузионного распада аустенита (перлит, троостит), сопротивление хрупкому и вязкому разрушению снижается (уменьшаются KCU, KCT,

275

K1c и повышается порог хладноломкости). Высокий отпуск, вызывающий сфероидизацию и коагуляцию карбидов цементит-ного типа, сохраняя достаточно высокое значение σ0,2, понижает порог хладноломкости, повышает трещиностойкость К1с и работу распространения трещины КСТ. Для улучшаемых легированных сталей, содержащих 0,3—0,5 % С после высокого

отпуска, К1с ≈ ≈ 250 МПа·м1/2, а для сталей, легированных никелем и молибденом, К1с = 300÷350 МПа·м1/2.

В табл. 8 приведены наиболее распространенные улучшаемые стали (ГОСТ 4543—71). Механические свойства этих сталей соответствуют контрольным образцам из заготовок сталей диаметром (стороной квадрата) 25 мм после термической обработки, указанной в таблице.

Механические свойства будут зависеть от той термической обработки, которую проходит сталь (деталь) на машиностроительном заводе, и прежде всего от принятой температуры отпуска (рис. 162).

Хромистые стали. Для средненагруженных деталей небольших размеров применяют хромистые стали ЗОХ, 38Х, 40Х и 50Х (см. табл. 8). С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Влияние температуры отпуска на механические свойства сталей показано на рис. 171, а.

Прокаливаемость хромистых сталей 30Х, 40Х и 50Х невелика. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым; для мелких деталей — в масле и для крупных — в воде.

Введение 0,1—0,2 % V (40ХФА) повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость, вследствие лучшего раскисления и измельчения зерна без увеличения про-каливаемости. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках.

Введение бора (0,002—0,005 %) увеличивает прокаливаемость хромистых сталей, но несколько повышает порог хладноломкости. Прокаливаемость стали с бором сравнительно высокая. Критический диаметр прокаливаемости (95 % мартенсита) при закалке в воде 30—45 мм и в масле 20—30 мм. Сталь с бором 35ХР (40ХР) имеет следующие механические

свойства (не менее): σΒ = 800 МПа; σ0 ,2 = 95÷1000 МПа; δ = 12 %; ψ = 50 % и KCU = 0,9 МДж/м2.

Хромомарганцевые стали. Совместное легирование хромом (0,9—1,2 %) и марганцем (0,9—1,2 %) позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью (например, 40ХГ). Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости (от 20 до —60 °С), склонность к отпускной хрупкости и росту зерна аустенита при нагреве. Введение титана обеспечивает хромомарганцевой стали

278

меньшую склонность к перегреву, а добавление бора увеличивает ее прокаливаемость.

Хромокремнемарганцевые стали. Высоким комплексом свойств обладают хромокремнемарганцевые стали (хромансил). Стали 20ХГС, 25ХГС и ЗОХГС обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью (см. табл. 8). Стали хромансил применяют также в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (например, в самолетостроении).

Сталь ЗОХГС подвергают улучшению (см. табл. 8, рис. 162) или изотермической закалке на нижний бейнит, способствующей

получению более высоких механических свойств (σΒ = 1650 МПа;

σ0,2 = 1300 МПа, δ = 9 %; ψ = 40 % и KCU = 0,4 МДж/м2) и

снижающей чувствительность к надрезам.

Стали хромансил склонны к обратимой отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве.

Более высокая прокаливаемость (критический диаметр про- каливаемости для закалки в воде свыше 100 мм и в масле свыше 75 мм) и лучшая вязкость достигаются при введении 1,4—1,8 % Ni в сталь хромансил (ЗОХГСНА). Эта сталь после изотермической закалки или закалки в масле (на воздухе) с низким отпуском

при 200 °С позволяет получить σΒ = 1650 МПа; σ0,2 = 1400 МПа; δ

= 9 % и KCU = 0,6 МДж/м2.

Высокопрочную сталь ЗОХГСНА и ее аналог ЗОХГСНМА широко применяют для изготовления весьма ответственных деталей, в том числе сварных.

При использовании высокопрочных сталей (30ХГС, 30ХГСНА и др.) необходимо учитывать, что они чувствительны к концентраторам напряжений, особенно после обычной закалки и отпуска, охрупчиванию в результате насыщения водородом (например, при гальванических покрытиях или травлении) и коррозии под напряжением.

Хромоникелевые стали. Благодаря большей устойчивости переохлажденного аустенита хромоникелевые стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках. Никель обеспечивает наибольший запас вязкости, а в сочетании с хромом и молибденом — большую прокаливаемость. Никель, особенно в сочетании с молибденом, сильно снижает порог хладноломкости. Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивление хрупкому разрушению.

В улучшаемые стали рекомендуется вводить ≤3 % Ni. При большем содержании никеля получается много остаточного аустенита.

Для тяжелонагруженных деталей с диаметром сечения до 70 мм используют хромоникелевые стали 40ХН, 45ХН и 50ХН, обладающие высокими механическими свойствами (см. рис. 162).

280